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기관을 크게 나누면 주요부와 부속 장치로 구분된다. 주요부란 동력을 발생하는 부분으로 실린더 헤드, 실린더 블록, 실린더, 피스톤 커넥팅로드 어셈블리, 크랭크축과 베어링, 플라이휠, 밸브와 개폐기구 등으로 구성되어 있다.
1. 실린더 헤드(Cylinder Head)
[실린더 헤드의 구조]
실린더 헤드는 헤드 개스킷을 사이에 두고 실린더 블록에 볼트로 설치되며 피스톤, 실린더와 함께 연소실을 형성한다. 수랭식 기관의 헤드는 전체 실린더 또는 몇 개의 실린더로 나누어 '일체 주조(一體鑄造)'하며 냉각용 물 재킷(Water Jacket)이 마련되어 있다.
공랭식 기관의 헤드는 실린더마다 별개로 제작하며 냉각용 핀(fin)이 설치되어 있다. 헤드 아래쪽에는 연소실과 밸브 시트가 있고, 위쪽에는 디젤 기관은 예열 플러그 및 분사 노즐 설치 구멍과 밸브 개폐기구의 설치부분이 마련되어 있다.
[실린더 헤드의 재질]
실린더 헤드의 재질은 주철이나 알루미늄 합금이다. 알루미늄 합금 실린더 헤드는 열전도성이 크고 가벼운 장점이 있으나 열팽창률이 크고, 내부식성 및 내구성이 비교적 적은 결점이 있다. 최근에는 이 결점을 보출할 수 있는 설계가 되어 있어 거의 모든 기관에 사용되고 있다.
[연소실]
연소실은 연료의 연소와 연소 가스의 팽창이 시작되는 부분이며 그 일부에 디젤 기관은 분사 노즐이 설치되며 연소실 체적은 압축비에 따라 결정된다.
(1) 연소실의 구비조건
→연소실 체적이 최소가 되게 할 것.
→가열되기 쉬운 돌출부가 없을 것.
→흡 / 배기작용이 쉽게 되게 할 것.
→화염 전파에 요하는 시간이 짧을 것.
→압축 행정에서 와류가 일어날 것.
(2) 연소실의 종류
연소실에는 I헤드형 연소실, L헤드형 연소실, F헤드형 연소실 등이 있다. I헤드형 연소실의 종류에는 반구형, 쐐기형, 지붕형, 욕조형 등이 있다. 그리고, L헤드형 연소실의 종류에는 리카도형, 와트 모우형, 제인 웨이형, 편평형 등이 있다.
[헤드 개스킷(Head Gasket)]
헤드 개스킷은 실린더 헤드와 블록의 접합면 사이에 끼워져 양면을 밀착시켜서 압축가스, 냉각수 및 기관 오일이 누출되는 것을 방지하기 위하여 사용하는 석면 계열의 물질이다.
종류에는 구리판이나 강철판으로 석면(석면)을 감싸서 제작한 보통 개스킷, 강철판의 양쪽면에 흑연을 혼합한 석면을 압착하고 표현에 다시 흑연을 발라서 제작하며 고열, 고 부하 및 고압축에 잘 견디는 스틸 베스토 개스킷(Steel Besto Gasket) 그리고 강철판으로만 얇게 제작한 스틸 개스킷(Steel Gasket)등이 사용되고 있다.
개스킷의 구부조건은 다음과 같다.
→기밀 유지성이 클 것.
→냉각수 및 기관 오일이 새지 않을 것.
→내열성과 내압성이 클 것.
→복원성이 있을 것.
→강도가 적당할 것.
[실린더 헤드 정비]
(1) 실린더 헤드 탈착방법
→실린더 헤드 볼트를 풀 때에는 변형을 방지하기 위하여 대각선의 바깥쪽에서 중앙을 향하여 풀어야 한다.
→헤드 볼트를 푼 후 실린더 헤드가 잘 탈착되지 않으면 다음과 같이 작업한다.
가. 연질(軟質)해머로 두드려 고작(固着)을 푼다.
나. 압축 압력이나 자체 중량을 이용한다.
※ 참고사항
→실린더 헤드 볼트를 모두 푼 다음 헤드가 잘 떨어지지 않을 때 스크루드라이버나 정 등을 사용하여 떼어내서는 절대로 않 된다.
(2) 실린더 헤드 점검 / 정비
1) 균열 점검(龜裂點檢)
균열 점검은 육안(肉眼)검사, 염색(染色) 탐상벙법, 자기(磁氣) 탐상방법 등이 있으며 자기 탐상방법에 의한 점검이 가장 정확하다.
2) 균열 원인
균열 원인은 과격한 열 부하(기관이 과열하였을 때 급랭시킴)를 들 수 있지만 겨울철 냉각수 동결에도 원인이 있다.
3) 변형(變形) 점검방법
변형 점검은 곧은 자(직정규:직각자)와 필러 게이지를 이용한다.
4) 변형의 원인
→헤드 개스킷 불량.
→실린더 헤드 볼트의 불균일한 조임.
→기관의 과열 또는 냉각수 동결.
(3) 실린더 헤드 설치하기
→실린더 블록에 접착제를 바른 후 개스킷을 설치하고, 개스킷 윗면에 접착제를 바른 후 실린더 헤드를 설치한다.
→헤드 볼트는 중앙에서부터 대각선으로 바깥쪽을 향하여 조인다.
→헤드 볼트는 2~3회 나누어 조이며, 최종적으로 규정값으로 조이기 위하여 토크 렌치를 사용한다.
(4) 실린더 헤드 개스킷 설치
→기관을 조립할 때 헤드 개스킷을 비롯한 각종 개스킷은 신품으로 교환하여야 한다. 그리고 헤드 개스킷이 파손되면 블로바이(Blow By:미연소 가스)가 발생하며, 기관 오일과 생각수가 혼합되어 냉각수에 기포(氣泡)가 생기거나 오일이 뜬다.
→실린더 구멍, 물 재킷 구멍 및 볼트 구멍을 정확히 맞추어야 한다.
2. 실린더 블록(Cylinder Block)
실린더 블록은 기관의 기초 구조물이며, 위쪽에는 실린더 헤드가 설치되어 있고, 아래 중앙부에는 평면 베어링(플레잉 베어링)을 사이에 두고 크랭크축이 설치된다.
블록 내부에는 피스톤이 왕복 운동을 하는 실린더(Cylinder)가 마련 되어 있으며, 실린더 냉각을 위한 물 재킷이 실린더를 둘러싸고 있다. 또 주위에는 밸브 개폐기구의 설치부분(I헤드형의 경우에는 캠축, 밸브 리프터, 푸시로드 등의 설치 부분)과 실린더 아래쪽에는 개스킷을 사이에 두고 아래 크랭크 케이스(오일 팬)가 설치되어 기관오일이 담겨진다. 실린더 블록 재질은 특수 주철이나 알루미늄 합금을 사용한다.
[실린더(Cylinder:기통)]
실린더는 피스톤의 기밀(氣密)을 유지하면서 왕복운동을 하여 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 동력을 발생시키는 부분이다. 실린더는 진 원통형으로 그 길이는 피스톤 행정의 약2배 정도이다. 실린더에는 일체식과 라이너식이 있다.
(1) 일체식 실린더
일체식 실린더는 실린더 블록과 같은 재질로 실린더를 일체로 제작한 형식이며, 실린더 벽이 마멸되면 보링(boring:실린더 내경을 깍아낸다)을 하여야 하는 형식으로 승용차에서 주로 사용한다.
(2) 실린더 라이너(슬리브)식
라이너식은 실린더 블록과 실린더를 별도로 제작한 후 실린더 블록에 끼우는 형식으로, 일반적으로 보통 주철의 실린더 블록에 특수주철의 라이너를 끼우는 경우와 알루미늄 합금 실린더 블록에 주철로 만든 라이너를 끼우는 형식이 있다. 그리고 라이너에는 습식과 건식이 있다.
1) 습식 라이너(Wet Type)
습식은 라이너 바깥둘레가 물재킷의 일부분으로 되어 냉각수와 직접 접촉하는 형식이며, 주로 대형 디젤 기관에서 사용한다. 습식 라이너는 다음과 같은 특징이 있다.
→냉각 효과가 커 열(熱)로 인한 실린더 변형이 적다.
→실링(Seal Ring)이 파손되거나 변형되면 크랭크 케이스로 냉각수가 들어갈 염려가 있다.
→습식 라이너를 끼울 때에는 라이너 바깥둘레에 비눗물을 바른다.
2) 건식 라이너(Dry Type)
건식은 라이너가 냉각수와 직접 접촉하지 않고 실린더 블록을 통하여 냉각되는 형식이며, 실린더 재생용으로 사용되었으나 최근에는 제작할 때부터 건식 라이너를 사용하는 형식도 있다. 건식 라이너는 압입 압력이 2~3ton 필요하며, 라이너를 끼운 후에는 약간 변형이 일어나기 때문에 호닝(horing:깨끗하게 다듬질 한다)을 하여야 한다.
[실린더 블록 정비]
(1) 실린더 벽의 마멸 경향
실린더 벽의 마멸 경향은 실린더 위 부분(상사점 부근)에서 가장 크며, 하사점 부근에서도 피스톤이 운동방향을 바꿀 때 일시 정지하므로 이때 유막이 차단되기 때문에 그 마멸이 현저하나 하사점 아래 부분은 거의 마멸되지 않는다.
상사점 부근의 마멸이 큰 원인은 다음과 같다.
→동력행정 때 상사점에서 더해지는 폭발 압력으로 피스톤 링이 실린더 벽에 강력하게 밀착되기 때문이다.
→기관의 어떤 회전속도에서도 피스톤이 상사점에서 일단 정지하고, 이때 피스톤 링의 호흡작용으로 인한 유막이 끊어지기 쉽기 때문이다.
(2) 실린더 마멸량 점검방법
1) 실린더 벽 마멸량 정검 기구
→실린더 보어 게이지(Cylinder Bore Gauge)
→내측 마이크로미터
→텔리스코핑 게이지와 외측 마이크로미터
2) 실린더 벽 마멸량 측정부위
실린더의 상부, 중앙, 하부의 위치에서 크랭크축 방향과 그 직각 방향의 6곳을 측정하여 가장 큰 측장값을 마멸량 값으로 한다.
(3) 실린더 윗부분의 리지 제거
피스톤 제1번 랜드(Top Land)와 접촉하는 실린더 위 부분은 마멸되지 않는 부분인 리지(ridge:턱)가 생기게 된다. 이 리지를 제거하지 않으면 피스톤을 빼낼 때 피스톤 링이 파손되므로 반드시 리지 리머(Ridge Reamer)로 절삭하여야 한다.
(4) 실린더 보링작업과 피스톤 오버 사이즈 선정방법
1) 실린더 보링작업
보링작업이란 일체식 실린더에서 실린더 벽이 마멸되었을 경우 오버 사이즈(Over Size) 피스톤에 맞추어 진원(眞圓)으로 절삭하는 작업이다. 그리고 일체식 실린더는 장시간 사용하면 실린더 벽이 마멸되어 피스톤 간극이 커지므로 압축 압력의 저하, 연료 소비량 증대, 기관 오일 소비량 증가, 기관의 출력 저하 및 기동 곤란을 일으키게 되므로 보링작업을 하여야 한다.
2) 실린더 보링값 계산방법
실린더 벽의 마멸은 측압쪽(크랭크축 직각방향)이 더욱 심하며 이를 진원으로 절삭하기 위해서 최대 마멸값을 기준으로 진원 절삭값 0.2mm를 절삭한다. 그리고 정비 제원에서 실린더 지름이 70mm 이상인 경우에는 0.2mm 이상, 70mm 이하인 경우에는 0.15mm 이상 마멸된 때 보링 작업을 해야 한다.
또 보링작업 후에는 바이트(bite) 자국을 지우는 호닝(horning:실린더 벽 다듬질 작업, 호닝 여유는 0.005mm이며, 호닝을 한 후 1개의 실린더 각 부분의 안지름 차이는 0.02mm 정도 실린더 상호간의 안지름 차이는 0.05mm 이하로 해야 한다) 작업을 하여야 한다. 오버 사이즈 규격에는 0.25mm, 0.50mm, 0.75mm, 1.00mm, 1.25mm, 1.50mm의 6단계가 있으며 오버 사이즈 한계는 실린더 지름이 70mm 이상인 경우에는 1.50mm, 70mm 이하인 겨웅에는 1.25mm이다. 또한 보링을 한 후 각 실린더 간의 압축 압력 차이는 10% 이내이어야 한다.
※ 예제:실린더 표준 안지름이 90.00mm인 어느 기관이 0.27mm가 마멸되었을 때 보링값(수정값)과 오버 사이즈값을 각각 구하시오.
※ 풀이:최대 마멸량 90.27mm+0.2mm(진원 절삭값)=90.47mm이다. 그러나 피스톤 오버 사이즈 규격에는 0.47mm가 없으므로 이 값보다 크면서 가장 가까운 값 0.50mm를 선정한다. 따라서 보링값은 90.50mm이며, 오버 사이즈값(O/S)은 0.50mm이다.
※ 기관 해체 정비 시기 기준
→실린더 압축 압력이 규정값의 70% 이하인 경우.
→연료 소비량이 규정값의 60% 이상인 경우.
→윤활유 소비량이 규정값의 50% 이상인 경우.
3. 피스톤(Piston)
[피스톤의 기능 및 구비조건]
피스톤은 실린더 내를 직선 왕복운동을 하여 동력 행정에서의 고온 / 고압가스로부터 받은 동력을 커넥팅로드를 통하여 크랭크축에 회전력(torque)을 발생시키고 흡입, 압축, 배기행정에서 크랭크축으로부터 힘을 받아서 각각 작용을 한다.
피스톤의 구비조건은 다음과 같다.
→무게가 가벼울 것.
→고온 / 고압가스에 충분히 견딜 수 있을 것.
→열전도율이 좋을 것.
→열팽창률이 적을 것.
→블로바이(Blow By)가 없을 것.
→피스톤 상호간의 무게 차이가 적을 것.
※ 참고사항
→블로바이:혼합기가 실린더와 피스톤 사이에서 미연소 가스가 크랭크 케이스로 누출되는 현상.
→피스톤의 무게 차이는 2%(7g) 이내여야 한다.
[피스톤의 구조]
피스톤은 헤드, 링 지대, 스커트, 보스로 구성되어 있다.
(1) 피스톤 헤드(Piston Head)
피스톤 헤드는 연소실의 일부를 형성하며 뒷면에는 리브(rib)를 두기도 하는데, 이 리브는 헤드부의 열을 피스톤 링이나 스커트로 신속히 전달하며 피스톤을 보강하기도 한다.
(2) 링 지대(Ring Belt)
링 지대는 피스톤 링을 끼우기 위한 링 홈과 홈 사이인 랜드(land)가 있다. 그리고 오일 링이 끼워지는 링 홈에는 링이 긁어내린 기관 오일을 피스톤 안쪽으로 보내기 위한 오일 구멍이 뚫려져 있다. 또 어떤 형식의 피스톤에서는 제1번 랜드에 좁은 홈을 여러 개 파서 피스톤 헤드 부의 높은 열이 스커트 부로 전달되는 것을 차단해주는 히트 댐(Heat Dam)을 두기도 한다.
(3) 피스톤 보스(Piston Boss)
피스톤 보스는 비교적 두껍게 되어 있으며, 여기에는 피스톤 핀이 끼워지는 구멍이 마련되어 있다.
(4) 피스톤 스커트(Piston Skirt Section)
피스톤 스커트는 피스톤이 왕복 운동을 할 때 측압(thrust)을 받는 부분이며, 피스톤 지름은 이 스커트의 지름으로 나타낸다.
[피스톤의 재질]
피스톤의 재질은 특수 주철과 알루미늄 합금이 있으며 주철은 강도가 크고 열팽창률이 적어 피스톤 간극을 적게 할 수 있어 블로바이나 피스톤 슬랩을 감소시킬 수 있으나 무게가 무거워 운전 중 관성(慣性)이 커지므로 고속 기관의 피스톤으로는 부적합하다.
그러나, 알루미늄 합금은 무게가 가볍고 열전도성이 커 피스톤 헤드의 온도가 낮아져 고속 / 높은 압축비 기관에 적합하다. 그리고 피스톤용 알루미늄 합금에는 구리 계열의 Y합금(알루미늄, 구리, 마그네슘, 니켈)과 규소 계열의 로엑스(Lo-EX)가 있다.
[피스톤 간극]
피스톤 간극이란 실린더 안지름과 피스톤 최대 바깥지름(스커트 지름)과의 차이를 말하며 기관 작동 중 열팽창을 고려하여 둔 것이다. 따라서 피스톤 간극은 스커트에서 측정하며, 간극을 두는 값은 피스톤의 재료, 형상, 기관 냉각상태 등에 따라서 결정되지만 일반적으로 알루미늄 합금 피스톤에서는 실린더 안지름의 0.05% 정도이다.
(1) 피스톤 간극이 작으면
피스톤 간극이 작으면 기관 작동 중 열팽창으로 인해 실린더와 피스톤 사이에서 고작(융착, 소결, 쇠결)이 발생한다.
(2) 피스톤 간극이 크면
피스톤 간극이 크면 압축 압력이 저하, 블로바이 발생, 연소실에 기관 오일 상승, 피스톤 슬랩발생, 연료가 기관 오일에 떨어져 희석(稀釋)되고, 기관 기동성 저하, 기관 출력이 감소하는 원인이 된다.
※ 피스톤 슬랩(Piston Slap)
→피스톤 간극이 너무 크면 피스톤이 상 / 하사점에서 운동방향을 바꿀 때 실린더 벽에 충격을 주는 현상이다. 저온에서 현저하게 발생하며 오프셋 피스톤을 사용하여 방지한다.
[알루미늄 합금 피스톤의 종류]
(1) 캠 연마 피스톤
이 피스톤은 상온(常溫)에서 피스톤 보스부분을 짧은지름, 스커트부분은 긴지름을 하는 타원형으로 하고, 온도상승에 따라 보스의 지름이 증대되어 기관의 정상온도에서 진원에 가깝게 되어 전면이 접촉하게 되는 피스톤으로 알루미늄합금 피스톤의 대표적이다.
(2) 스플릿 피스톤(Split Piston)
이 피스톤은 측압이 적은 부분의 스커트 윗부분에 새로로 홈을 두어 스커트부로 열이 전달 되는 것을 제한하는 피스톤이다.
(3) 인바 스트럿 피스톤(Invar Strut Piston)
이 피스톤은 열팽창률이 매우 적은 인바제 링을 스커트부에 넣고 일체 주조한 피스톤이다. 기관 작동 중 일정한 피스톤 간극을 유지할 수 있다.
(4) 슬리퍼 피스톤(Slipper Piston)
이 피스톤은 측압을 받지 않는 부분의 스커트 부분을 절단한 피스톤이다. 무게와 슬랩을 감소시킬 수 있으나 스커트를 절단한 부분에 오일이 고이기 쉽다.
(5) 오프셋 피스톤(Off-Set Piston)
이 피스톤은 슬랩을 방지하기 위하여 피스톤 핀의 위치를 중심으로 부터 1.5mm 정도 편심(Off-Set)시켜 상사점에서 경사 변환 시기를 늦어지게 한 형식이다.
(6) 솔리드 피스톤(Solid Piston)
이 피스톤은 스커트 부분에 홈(Slot)이 없고, 통형(Solid)으로 된 형식이며 기계적 강도가 높아 가혹한 운전 조건의 디젤 기관에서 주로 사용한다.
[피스톤 헤드의 형상]
피스톤 헤드의 형상에는 헤드가 편평한 편평형, 헤드 부분이 볼록하게 된 볼록형(둠형), 2행정 사이클 기관에서 연소 가스 배출, 미연소 가스의 와류를 돕기 위해 디플렉터(deflector)를 둔 불규칙형, 밸브 양정(Valve Lift)을 충분히 하여 압축비를 높일 수 있도록 한 밸브 노치형, 연소실을 둥근 모양으로 할 수 있는 오목형 등이 있다.
※ 참고사항
→기관에서 피스톤을 때어 내고자 할 때에는 실린더 헤드>오일 팬>리지(만약 턱이 있으면) 순으로 작업한다.
→피스톤은 주석(Sn)으로 도금을 하여 손상을 방지한다.
4. 피스톤 링(Piston Ring)
피스톤 링은 압축 및 동력 행정에서 기밀(氣密)을 유지하기 위하여 링 일부를 절단하여 적당한 탄성을 주어 피스톤 링 홈에 3~5개 정도 설치한 금속제 링이며 압축링과 오일링이 있다.
[피스톤 링의 3가지 작용]
피스톤 링은 피스톤과 함께 실린더 내를 상하 왕복운동하면서 실린더 벽과 밀착되어 실린더와 피스톤 사이에서 블로바이를 방지하는 기밀 유지 작용(밀봉작용)과 실린더 벽과 피스톤 사이의 기관 오일을 긁어내려 연소실로 유입되는 것을 방지하는 오일 제어 작용 및 피스톤 헤드가 받은 열을 실린더 벽으로 전달하는 냉각 작용(열전도작용) 등 3가지 작용을 한다.
그리고, 피스톤 링의 구비조건은 다음과 같다.
→고온에서도 탄성을 유지할 수 있을 것.
→열팽창율이 적을 것.
→오랫동안 사용하여도 링 자체나 실린더 마멸이 적을 것.
→실린더 벽에 동일한 압력을 가할 것.
[피스톤 링의 재질과 가공방법]
(1) 피스톤 링의 재질
피스톤링의 재질은 조직이 치밀한 특수주철이며, 원심 주조방법(遠心鑄造方法)으로 제작한다. 그리고 피스톤 링의 재질은 실린더 벽 재질보다 다소 경도(硬度)가 낮아야 한다. 이것은 실린더 벽의 마멸을 감소시키기 위함이다. <톱링(Top Ring:제1번 링):크롬으로 도금)>
※ 참고사항
→원심 주조방법:주형을 수평 또는 수직의 중심축으로 지지하고, 적당한 속도로 외전시키면서 용해 금속을 주입하여 원심력으로 두께가 일정한 원통형의 부품을 주조하는 방법이다. 피스톤 링, 실린더 라이너 제작에서 사용된다.
→경도(硬度):금속 표현이 외력(外力)에 저항하는 성질을 말한다.
(2) 피스톤 링의 가공방법
링 면은 실린더 벽과 길이 잘 들고 긁힘에 의한 마멸을 감소시키기 위하여 코팅을 하며, 링 표면에는 흑연, 주석, 산화철 등을 부탁하거나 특수 코팅을 한다. 그리고 제1번 압축링(Top Ring)과 오일 링에는 크롬(Cr)으로 도금을 하여 내마멸성을 높이고 있다. 또 크롬 도금한 실린더에는 크롬 도금한 피스톤 링을 사용해서는 않 된다.
[피스톤 링의 작용]
(1) 압축 링의 작용
압축 링은 실린더와 피스톤 사이에서 압축 행정을 할 때 블로바이 방지 및 동력행정에서 연소가스의 누출을 방지하며 피스톤 헤드에 가까운 링 홈에 2~3개가 설치된다. 압축 링은 상사점에서 내려올 때 실린더 벽과의 마찰로 링 홈의 윗면으로 밀려 링 윗면과 링 홈의 윗면이 밀착되고 유막 위를 미끄러져 하사점에 도달한다.
하사점에서 올라갈 때에는 링 홈의 아랫면에 밀착되어 링홈 윗면에 간극이 생겨 긁힌 오일이 고인다. 이 고인 오일이 실린더 벽에 공급되므로 항상 실린더 벽 전면에는 유막이 형성된다.
피스톤 링이 상 / 하점에서 행정을 바꿀 때마다 피스톤 링의 위치가 바뀌는 작용을 링의 호흡 작용(Piston Ring Aspiration)이라고 부른다. 압축 링은 기밀 유지를 위하여 링의 장력이 매우 중요하다. 링의 장력이 너무 크면 실린더 벽과의 마찰 손실이 증가하고 그 정도가 지나치면 실린더 벽의 유막이 차단되어 피스톤 링과 실린더 벽이 직접 접촉한다. 반대로 링의 장력이 작으면 실린더 벽과 피스톤 사이의 유막이 두껍게 되어 블로바이를 일으키기 쉽고, 피스톤의 열전도 작용이 감소하여 피스톤의 온도가 상승한다.
(2) 오일 링의 작용
오일 링은 실린더 벽을 윤활하고 남은 과잉의 기관 오일을 긁어내려 실린더 벽의 유막을 조절한다. 링의 전 둘레에 걸쳐 홈이 파져 있어 긁어내린 오일을 피스톤 안쪽으로 보내어 피스톤 핀의 윤활을 하도록 하고 오일 팬에 떨어진다.
[피스톤 링 이음부]
(1) 링 이음부 간극(절개부 간극:End Gap)
링 이음부 간극은 기관 작동 중 열팽창을 고려하여 두며, 피스톤 바깥지름에 관계된다. 링 이음부 간극이 규정보다 크면 블로바이가 일어나고, 기관 오일 소모가 증가한다. 또 링 이음부 간극이 작으면 열팽창으로 인해 링 이음부가 접촉하여 고착을 일으키거나 실린더 벽을 긁게 된다.
링 이음부 간극은 제1번 압축 링(Top Ring)을 가장 크게 한다. 그리고 링 이음부 간극은 실린더에 링을 끼우고 피스톤 헤드로 밀어 넣어 수평 상태로 한 후 필러 게이지로 측정한다. 이때 마멸된 실린더의 경우에는 가장 마멸이 적은 부분에서 측정하여 0.2~0.4mm(한계 1.0mm)이면 정상이다.
※ 홈간극
→피스톤 링 홈의 간극(사이드간극)이 작을 경우에는 피스톤 링을 유리판 위에 컴파운드를 놓고 그 위에서 연마 / 수정하여 끼운다.
(2) 링 이음부의 조립방향
링을 피스톤에 조립할 때 각 링 이음부 방향이 한쪽으로 일직선상에 있게 되면 블로바이가 발생하기 쉽고, 기관 오일이 연소실에 상승한다. 이를 방지하기 위하여 링 이음부의 위치는 서로 120~180˚ 방향으로 끼워야 하며 이때 링 이음 부가 측압(스커트쪽)쪽을 향하지 않도록 해야 한다.
피스톤 링 이음 부의 종류에는 버트이음(Butt Joint), 각이음(Angle Joing), 랩이음(Lap Joint), 실이음(Seal Joint) 등이 있다. 또한 링 이음 간극은 제1번 압축링을 가장 크게 두며, 바깥둘레가 테이퍼 되어 있는 링은 지름이 큰 쪽을 아래로 하여 끼워야 한다.
5. 피스톤 핀(Piston Pin)
피스톤 핀은 피스톤 보스에 끼워져 피스톤과 커넥팅로드 소단부를 연결해주는 핀이며, 피스톤이 받는 폭발력을 커넥팅 로드로 전달한다.
피스톤 핀의 구비조건은 다음과 같다.
→무게가 가벼울 것.
→강도가 클 것.
→내마멸성이 클 것.
[피스톤 핀의 재질과 가공]
피스톤 핀의 재질은 저 탄소 침탄강, 니켈-크롬강이며 내마멸성을 높이기 위하여 표면을 경화(硬化)시키고, 내부는 그대로 두어 인성(금속의 질긴 성질)을 유지시키고 있다. 피스톤 핀은 무게를 가볍게 하고 오일 통로로 사용하기 위해 중공(中空:속이 빔)으로 제작하고 있다.
[피스톤 핀의 고정방법]
(1) 고정식(固定式)
고정식은 피스톤 핀을 피스톤 보스 부분에 고정하는 방법이며, 커넥팅로드 소단부에 구리합금의 부싱(bushing)이 들어간다.
(2) 반부동식(요동식:半浮動式 또는 搖動式)
반부동식은 피스톤 핀을 커넥팅로드 소단부에 고정시키는 방법이다.
(3) 전부동식(全浮動式)
피스톤 핀을 피스톤 보스부, 커넥팅로드 소단부 등 어느 부분에도 고정시키지 않는 방법으로 핀의 양끝에 스냅 링(Snap Ring)이나 엔드 와셔(End Washer)를 두어 핀이 밖으로 이탈되는 것을 방지한다.<디젤 기관에서 많이 사용>
[피스톤 핀 끼우는 방법]
피스톤에 핀을 끼울 때 알루미늄 합금 피스톤의 경우에는 피스톤이 열팽창 하였을 때 피스톤 핀과 핀 구멍의 간극이 적당히 되도록 하기 위하여 피스톤을 가열하여 끼운다. 이때 피스톤의 가열 온다는 100℃ 정도가 알맞다.
6. 커넥팅로드(Connecting Rod)
[커넥팅로드의 개요]
커넥팅로드는 피스톤 핀과 크랭크축을 연결하는 막대이며, 피스톤의 왕복 운동을 크랭크축으로 전달하는 일을 한다. 소단부(Small End)는 피스톤 핀에 연결되고, 대단부(Big End)는 평면 베어링을 통하여 크랭크 핀에 결합되어 있다.
커넥팅로드의 재질은 니켈-크롬(Ni-Cr)강, 크롬-몰리브덴(Cr-Mo)강 등의 특수강을 단조(forging)하여 제작한다. 커넥팅로드의 형상은 무게를 가볍게 하고 충분한 기계적 강도를 얻기 위해 그 단면을 I형으로 주로 만든다. 또 실린더 벽에 기관 오일을 분사하기 위하여 커넥팅로드 베어링 윗부분에 오일 분출 구멍을 두고 있다.
[커넥팅로드의 길이]
커넥팅로드의 길이는 소단부 중심에서 대단부 중심 사이의 길이로 표시하며, 피스톤 행정의 1.5~2.3배 또는 크랭크 회전 반지름의 3.0~4.5배가 적당하다. 커넥팅로드의 길이가 길면 실린더 벽에 작용하는 피스톤의 측압이 작아 실린더 벽 마멸이 감소하여 기관 수명이 길어지는 이점이 있으나 강도와 무게 면에서 불리하고, 기관의 높이가 높아진다. 반대로 길이가 짧으면 기관의 높이가 낮아지고 무게를 줄일 수 있으나 실린더 측압이 커져 기관 수명이 짧아지고 기관의 길이가 길어지게 된다.
[커넥팅로드 점검]
커넥팅로드는 컨로드 얼라이너(Con-Rod Aligner)로 휨과 비틀림에 대하여 점검한다. 휨과 비틀림을 점검할 때 얼라이너의 상부 또는 하부에 간극이 생기면 휨이 생긴상대이고, 좌측(左側) 또는 우측(右側)에 간극이 생기면 비틀림이 생긴상태이다.
※ 참고사항
→커넥팅로드가 휘거나 비틀리면 압축압력, 실린더 벽, 피스톤 및 피스톤 링, 크랭크축 저널 등에 영향을 준다.
→실린더 수가 많은 기관에서 피스톤 커넥팅로드 조립품의 무게 차이는 2%(30g) 이내이어야 한다. 상호간의 무게 차이가 크면 회전 불평형으로 인하여 진동이 발생한다.
7. 크랭크축(Crank Shaft)
크랭크축은 실린더 블록의 아래쪽 반원부에 메인 저널 베어링의 상반부(上半部)가 설치되고, 하반부(下半部)는 블록에 볼트를 설치되는 베어링 캡으로 저지된다. 크랭크축은 동력 행정에서 얻는 피스톤의 동력을 회전운동으로 바꾸어 기관의 출력을 외부로 전달하고, 흡입, 압축, 배기 행정에서는 피스톤에 운동을 전달하는 회전축이다.
크랭크축의 구비조건은 다음과 같다.
→정적(靜的) 및 동적 평형(動的平衡)이 잡혀 있어야 한다.
→강도(强度)와 강성(强盛)이 충분하여야 한다.
→내마멸성이 커야 한다.
[크랭크축의 구조]
크랭크축의 회전 중심을 형성하는 축 부분을 메인 저널(Main Journal), 커넥팅로드 대단부와 결합되는 부분을 크랭크 핀(Crank Pin), 메인 저널과 크랭크 핀을 연결하는 부분을 크랭크 암(Crank Arm) 그리고 회전평형을 유지하기 위해 크랭크 암에 둔 평행추(Balance Weight) 등의 주요부로 구성되어 있다.
또 크랭크축 앞 끝에는 캠축 구동용의 타이밍 기어 또는 타이밍 밸트 구동용 스프로킷과 물 펌프 및 발전기 구동을 위한 크랭크축 풀리가 설치되며 뒤쪽에는 플라이휠 설치를 위한 플랜지(flange)와 클러치축 지지용 파일럿 베어링을 끼우는 구멍이 있다. 내부에는 커넥팅로드 베어링으로 오일 공급을 하기 위한 오일구멍 및 오일 통로가 있고, 크랭크케이스의 오일 누출을 방지하기 위한 오일실(Oil Seal)을 두고 있다. 또한 크랭크 핀의 수는 직렬형 기관의 크랭크축은 실린더 수와 같으나 V-형 기관은 크랭크 핀을 실린더 수의 1/2로 둔다. 이것은 1개의 크랭크 핀에 대해 좌우 2개의 커넥팅로드를 연결하기 때문이다.
그리고 메인 저널은 크랭크 축 앞 / 뒤 끝부분과 각 크랭크 핀 1개마다 두는 것을 원칙으로 하지만 크랭크 핀 2개나 3개에 1개의 메인 저널을 두는 형식도 있다. 따라서 직렬 4실린더 기관은 크랭크 핀 4개에 대하여 메인 저널은 5개를 주로 사용하고 직렬 6실린더 기관에서는 7개를 둔다.
[크랭크축의 재질과 가공]
크랭크축의 재질은 고 탄소강, 크롬-몰리브덴강, 니켈-크롬강 등으로 단조하여 제작한다. 최근에는 기관의 고속화 경향으로 피스톤 행정과 실린더 안지름 비가 작아지는 단 행정 기관 제작으로 인하여 메인 저널과 크랭크 핀의 중심거리가 짧아짐에 따라(이를 오버랩 크랭크축이라 함) 크랭크축의 강성이 높은 것이 요구된다. 이에 따라 미하나이트 주철 또는 구상 흑연 주철제 크랭크축도 사용된다. 그리고 메인 저널과 크랭크 핀은 고주파 경화법으로 표면 경화한다.
[크랭크축의 형식]
크랭크축의 형식은 실린더 수, 실린더 배열, 메인 저널 수, 점화 순서 등에 따라 달라진다.
(1) 직렬 4실린더 기관
제1번과 제4번, 제2번과 제3번 크랭크 핀이 동일 평면 위에 있으며, 또 각각의 크랭크 핀은 180˚의 위상차(位相差)를 두고 있다. 점화 순서는 1 - 3 - 4 - 2와 1 - 2 - 4 - 3 두 가지가 있다.
(2) 직렬 6실린더 기관
제1번과 제6번, 제2번과 제5번, 제3번과 제4번의 각 크랭크 핀이 동일 평면 위에 있으며, 각각은 120˚의 위상차를 지니고 있다. 크랭크축을 마주보고 제1번과 제6번 크랭크 핀을 상사점으로 하였을 때 제3번과 제4번 크랭크 핀이 오른쪽에 있는 우수식(점화순서는 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4)과 제3번과 제4번 크랭크 핀이 외쪽에 있는 좌수식(점화순서는 1 - 4 - 2 - 6 - 3 - 5)이 있다.
(3) V형 기관
V형은 좌 / 우 실린더 중심선이 90˚를 이루는 90˚ V형이 가장 많으며, 1개 크랭크 핀에 2개의 커넥팅로드가 설치된다.
V-형 기관은 크랭크축의 길이가 짧아지고, 무게가 감소하며, 기관의 강성이 증가하는 이점이 있다.
[폭발순서 정하기]
(1) 폭발순서 정할 때 고려하여야 할 사항
→동력행정이 같은 간격으로 일어나게 한다.
→크랭크축에 비틀림 진동이 일어나지 않게 한다.
→인접한 실린더에 연이어서 폭발이 발생하지 않도록 한다.
→혼합기 또는 공기가 각 실린더에 동일하게 분배되게 한다.
※ 참고사항
실린더 수가 많은(다기통)기관에서 점화순서를 실린더 배열 순서로 하지 않는 이유
→크랭크축 회전에 무리가 가지 않도록 하기 위함이다.
→기관의 발생 동력을 평등하게 하기 위함이다.
→원활한 회전을 하기 위함이다.
(2) 직렬 4실린더 기관의 폭발순서
직렬 4실린더 기관은 위상차가 180˚이며 제1번과 제4번, 제2번과 제3번 크랭크 핀이 동일 평면 위에 있으므로 제1번 피스톤이 하강 행정을 하면 제4번 피스톤도 하강 행정하며, 제2번과 제3번 피스톤은 상승 행정을 한다.
따라서, 제1번 피스톤이 흡입행정을 하면 제4번 피스톤은 동력행정을 한다. 이때 제2번 피스톤이 압축행정을 하게 되면 제3번 피스톤은 배기 행정을 한다. 이에 따라 4개 실린더가 크랭크축 720˚(1행정을 하는 경우 180˚이므로 180˚×4=720˚)에 1사이클을 완성한다.
※ 예제:어느 실린더의 점화 순서가 1-3-4-2이다. 제4번 피스톤이 배기 행정을 하면 제2번 실린더는 무슨 행정을 하는가?
※ 해설:점화 순서 > 1 - 3 - 4 - 2
압축 < 2흡입 < 1(배기) 동력 < 행정 순서
따라서, 제1번 실린더는 압축 행정, 제2번 실린더는 동력 행정, 제3번 실린더는 흡입 행정을 각각 한다.
(3) 직렬 6실린더 기관의 점화 순서
6실린더 기관의 크랭크축은 위상차가 120˚이므로 120˚ 회전할 때마다 1회릐 동력 행정을 하므로 크랭크축 2회전(720˚)하는 동안에 각 실린더가 1번씩 동력 행정을 하고, 각 실린더는 각각의 4행정을 하여 1사이클을 완성한다.
[크랭크축 점검 정비]
(1) 균열 및 휨 점검
→균열 점검 : 크랭크축에 균열(龜裂)이 있으면 교환한다.
→휨 점검 : 크랭크축 앞 / 뒤 메인 저널을 V블록 위에 올려놓고 다이얼 게이지의 스핀들을 중앙 메인 저널에 설치한 후 천천히 크랭크축을 회전시키면서 다이얼 게이지의 눈금을 읽는다. 이때 최대와 최소값의 차의 1/2이 크랭크축 휨값이다. 휨 한계값은 크랭크축의 길이가 500mm 이상일 때는 0.05mm이고, 500mm 이하일 때는 0.03mm이다.
(2) 크랭크축 저널 수정방법
1) 측정방법
메인 저널 및 크랭크 핀의 마멸 측정은 외측 마이크로미터로 측정하며 진원도, 편 마멸 등을 측정하고 수정 한계값 이상인 경우에는 수정하거나 크랭크축을 교환한다. 수정 한계값은 메일 저널 지름이 50mm 이상인 크랭크축은 1.5mm 이상, 50mm 이하인 경우에는 1.0mm 이상이다.
2) 저널 수정값 계산방법
저널의 언더 사이즈 기준값에는 0.25mm, 0.50mm, 0.75mm, 1.00mm, 1.25mm, 1.50mm의 6단계가 있다. 또 크랭크축 저널을 연마 수정하면 지름이 작아지므로 표준 값에서 연마 값을 빼내어야 한다. 이렇게 하여 그 치수가 작아지므로 언더 사이즈(Under Size)라고 하며 크랭크축 베어링은 표준보다 더 두꺼운 것을 사용하여야 한다.
※ 예제:표준 지름이 75.00mm인 크랭크축 저널의 바깥지름을 측정한 결과 74.68mm, 74.82mm, 74.66mm, 74.76mm이였다. 크랭크축을 연마할 경우 알맞은 수정 값은 얼마인가?
※ 해설:이것을 진원으로 수정하려면 측정값에서 0.2mm를 더 연마하여야 하므로 가장 많이 마모된 저널의 지름 74.66mm-0.2mm(진원 절삭값)=74.46mm이다. 그러나 언더 사이즈 표준 값에는 0.46mm가 없으므로 이 값보다 작으면서 가장 가까운 값인 0.25mm를 선정한다.
따라서, 저널 수정값은 74.25mm이며, 언더 사이즈 값은 75.00mm(표준 치수)-74.25mm(수정값)=0.75mm이다.
(3) 크랭크축 축방향 움직임(End Play)측정
크랭크축 축방향 움직임 측정을 플라이 바로 크랭크축을 한쪽으로 밀고 다이얼 게이지(또는 필러 게이지)로 점검한다. 축방향 움직임 한계값은 0.3mm 정도이며, 한계값 이상인 경우에는 스러스트 베어링(Thrust Bearing, 스러스트 플레이트 형식에서는 플레이트 교환)을 교환한다. 축방향 움직임이 크면 크랭크축이 앞 / 뒤로 움직여 소음이 나며 실린더, 피스톤의 편마멸이나 커넥팅로드의 변형을 초래한다. 반대로 작으면 크랭크 암과 스러스트 면 사이에 열이 발생하여 손상 일으킨디.
(4) 크랭크축 오일간극 측정
크랭크축 베어링 사이의 간극, 저널의 편 마멸 등은 필러 스톡, 심 조정법 및 플라스틱 게이지 등으로 점검하는데 이 중 플라스틱 게이지에 의한 방법이 가장 편리하고 정확하다.
8. 플라이휠(Fly Wheel)
플라이휠은 동력 행정 중의 회전력을 저장하였다가 크랭크축의 회전속도를 원활히 하기 위하여 크랭크 축 뒤끝에 볼트로 설치된다. 즉, 크랭크축의 맥동적인 출력을 원활히 하는 일을한다. 플라이휠은 운전 중 관성(慣性)이 크고, 자체 무게는 가벼워야 하므로 중앙부는 두께가 얇고 주위는 두껍게 한 원판(圓板)으로 되어 있다. 재질은 주철이나 강철이며 뒷면은 클러치의 마찰 면으로 사용된다.
바깥둘레에는 기관을 시동할 때 기동 전동기의 피니언과 물려 회전력을 받는 링 기어(Ring Gear)가 열박음(가열 끼워 맞춤)으로 고정되어 있다. 또 디젤 기관에서는 플라이휠에 피스톤 상사점이나 점화시기를 표시하는 점화시기 표시(Timing Mark)가 파져 있다. 플라이휠의 무게는 회전속도와 실린더 수에 관계한다.
9.크랭크 축 풀리와 비틀림 진동 방지기
[크랭크축 풀리(Crank Shaft Pulley)]
크랭크축 풀리는 구동벨트를 통하여 물 펌프, 발전기, 동력 조향장치의 오일펌프, 에어컨 압치기 및 공기 압축기 등을 구동하며 풀리이며, 가솔린 기관에는 점화 시기 표지가 있다.
[비틀림 진동 방지기(Torsional Vibration Damper:진동댐퍼)]
비틀림 진동 방지기는 크랭크축 앞 끝에 크랭크축 풀리와 일체로 설치된다. 작동은 크랭크축의 일정한 회전속도로 회전할 때에는 댐퍼 플라이휠이 크랭크축과 일체로 회전하지만, 크랭크축에 비틀림 진동이 발생하면 댐퍼 플라이휠이 계속해서 일정한 속도로 회전하려고 하기 때문에 크랭크축 풀리와 댐퍼 플라이 휠 사이에 미끄럼이 생겨 비틀림 진동을 억제한다. 이때 진동은 마찰열로 바뀌어 대기 중으로 방출된다. 그리고 비틀림 진동은 크랭크축의 회전력이 클 때, 크랭크축의 길이가 길 때, 크랭크축의 강성이 작을수록 크다.
※ 기관 힘의 균형과 기계적 균형
→기관 힘의 균형
가. 정상 간격으로 동력 행정이 일어 날 것.
나. 폭발 압력이 동일 할 것.
다. 압축 압력이 동일 할 것.
→기계적 균형
가. 피스톤과 커넥팅로드 조립품의 중량 차이가 없을 것.
나. 크랭크축의 평형이 잘 잡혀 있을 것.
10. 크랭크축 베어링(Crank Shaft Bearing:축받이)]
크랭크축에서 사용하는 베어링은 평면 베어링(Plain Bearing)이다. 평면 베어링에는 분할형과 부싱(Bushing)이 있다.
[베어링의 윤활]
크랭크축 베어링은 윤활장치에서 공급되는 기관 오일에 의하여 윤활 된다. 베어링의 오일 구멍은 실린더 블록의 오일구멍과 일치되어 있어 이 구멍을 통해 들어온 기관 오일이 베어링 바깥둘레 방향에 파져 있는 홈을 거쳐 베어링 모서리 부분으로 흐르면서 저널과 베어링 면 사이의 윤활을 한다. 베어링 모서리에서 밖으로 나온 기관 오일은 오일팬에 떨어져 다시 모인다.
기관 오일은 유막이나 오일층으로 금속과 금속의 직접적인 접촉을 방지하고 윤활부에서 발생한 열을 흡수하여 베어링의 냉각작용도 한다. 또 커넥팅로드 베어링에서 밖으로 나오는 기관 오일은 실린더 벽, 피스톤 링, 피스톤 핀 등에 오일을 공급하는 일도 한다. 베어링이 그 기능을 발휘하려면 베어링 주위에 기관 오일이 흘러야 한다. 이를 위해 축 저널의 지름을 베어링 지름보다 조금 작게 하며 이를 오일 간극이라고 한다.
[크랭크축 베어링 재료]
베어링의 재료에는 구리, 납, 아연, 은, 카드뮴, 알루미늄 등의 합금인 배빗메탈, 켈밋 합금, 알루미늄 합금 등이 있으며 어느 것이나 저널의 재질보다 융점이 낮고 연하므로 한계 윤활상태가 되며 자체가 소모되어 저널의 마멸을 방지한다.
(1) 배빗메탈(Bab Bit Metal)
배빗메탈은 주석(Sn) 80~90%, 안티몬(Sb) 3~12%, 구리(Cu) 3~7%가 표준 조성이다. 특성은 취급이 쉽고 매입성, 길들임성, 내부식성 등은 크나 고온 강도가 낮고 피로 강도, 열전도성 좋지 못하다. 현재는 주로 켈밋 합금이나 트리메탈 코팅(coating)용으로 사용되고 있다. 경도는 HB(브리넬 경도)20~30, 부하 능력은 50~100kgf/cm² 정도이다.
(2) 켈밋 합금(Kelmet Alloy)
켈밋 합금은 구리(Cu) 60~70%, 납(Pb) 30~40%가 표준 조성이다. 특징은 열전도성이 양호하고, 융착되지 않아 고속, 고온 및 고 하중에 잘 견디나 경도가 커 매입성, 길들임성, 내부식성 등이 작다. 경도는 HB 20~30(150℃에서 20~23), 최고 사용온도는 250℃ 부하 능력은 200~300kgf/cm², 주 속도는 10~12m/sec 정도이다.
(3) 알루미늄 합금(Aluminium Alloy)
알루미늄과 주석의 합금이며, 베빗메탈과 켈밋 합금이 지니는 각각의 장점을 구비한 베어링이다. 그러나 길들임성과 매임성은 베빗메탈로 표면층을 만들어서 개선하고 있다.
[크랭크축 베어링의 구조]
(1) 베어링 크러시(Bearing Crush)
크러시는 베어링의 바깥둘레와 하우징 둘레와의 차이를 말하며 두는 이유는 다음과 같다.
→베어링 바깥둘레를 하우징 둘레보다 조금 크게 하고, 볼트로 압착시켜 베어링 면의 열전도율 높이기 위함이다.
→크러시가 너무 크면 안쪽 면으로 찌그러져 저널에 긁힘을 일으키고, 작으면 기관 작동에 따른 온도 변화로 인하여 베어링이 저널을 따라 움직이게 된다. 이를 방지하기 위함이다. 따라서 신품 베어링으로 교환할 때는 베어링 캡이나 베어링을 연삭해서는 않 된다.
(2) 베어링 스프레드(Bearing Spread)
스프레드는 베어링 하우징의 지름과 베어링을 끼우지 않았을 때 베어링 바깥쪽 지름과의 차이를 말한다.
스프레드를 두는 이유는 다음과 같다.
→베어링을 조립할 때 베어링이 제자리에 밀착되어 있도록 한다.
→베어링을 조립할 때 캡에 베어링이 끼워져 있어 작업이 편리하다.
→크러시가 압축됨에 따라 안쪽으로 찌그러지는 것을 방지한다.
[크랭크축 베어링의 구비조건]
→폭발 압력에 견딜 수 있는 하중 부담능력이 있을 것.
→내피로성이 클 것.
→매입성이 있을 것.
→추종 유동성이 있을 것.
→내부식성 및 내마멸성이 클 것.
→고온 강도가 크고, 길들임성이 좋을 것.
→마찰 계수가 작을 것.
11. 밸브 개폐기구와 밸브(Valve Train & Valve)
[밸브 개폐기구의 개요]
밸브 개폐기구는 캠축, 밸브 리프터(태핏), 푸시로드, 로커암 축 어셈블리, 밸브 등이로 구성되어 있으며 L-헤드형 밸브 개폐기구, I-헤드(OHV)형 밸브 개폐기구, OHC형 밸브 개폐기구 등이 있다.
(1) L헤드형(OHC:Over Head Cam) 밸브 개폐기구
L헤드형은 캠축, 밸브 리프터, 밸브로 구성되며, 흡 / 배기밸브는 실린더 블록에 일렬로 나란히 설치되어 있고, 캠축은 크랭크케이스 옆이나 위쪽에 설치되며 캠축의 회전운동을 밸브 리프터의 상하운동으로 밸브를 개폐한다. 이 형식은 구조가 간단하고 부품수가 적으나, 흡 / 배기 통로 휨이 크고, 연소실이 편평해 노킹발생이 쉽다. 현재는 거의 사용하지 않는다.
(2) I헤드(OHV:Over Heat Valve)형 개폐기구
I헤드형은 캠축, 밸브 리프터, 푸시로드, 로커암 축 어셈블리, 밸브로 구성되어 있으며 흡 / 배기 밸브 모두 실린더 헤드에 설치되므로 밸브 리프터와 밸브 사이에 푸시로드와 로커암 축 어셈블리의 두 부품이 더 설치되어 있다.
작동은 캠축이 회전운동을 하면 푸시로드가 밸브 리프터에 의하여 상하 운동을 하면 로커암이 그 설치 축을 중심으로 하여 요동(搖動)을 한다. 이에 따라 로커암의 밸브쪽 끝이 밸브 스템 엔드를 눌러 열리게 하고 또 밸브 스프링의 장력으로 닫힌다.
이 형식은 흡 / 배기가스의 흐름 저항이 적고, 밸브 헤드 지름과 양정을 크게 할 수 있다. 또 연소실 형상도 간단해 높은 압축비를 얻을 수 있고 노킹 발생도 비교적 적으나 밸브 개폐기구가 복잡하고 소음과 관성력이 커진다.
(3) OHC(Over Head Cam Shaft)형 밸브 개폐기구
OHC형은 캠축을 실린더 헤드 위에 설치하고 캠이 직접 로커암을 구동하는 형식이다. 이 형식은 캠축을 구동하는 타이밍 체인이나 벨트 장치와 실린더 헤드의 구조는 복잡해지나 밸브 개폐기구의 왕복 운동부의 관성력이 작아져 밸브 가속도가 커진다.
OHC형에는 1개의 캠축으로 모든 밸브를 개폐시키는 SOHC(Single Over Head Cam Shaft)와 2개의 캠축으로 각각의 흡 / 배기 밸브를 구동하는 DOHC(Double Over Head Cam Shaft)가 있다.
[밸브 개폐기구의 구성부품과 그 기능]
(1) 캠축과 캠(Cam Shaft & Cam)
캠축은 기관의 밸브 수와 같은 수의 캠이 배열된 축으로 I헤드형 기관에서는 크랭크축과 평행하게 설치되어 있고, OHC기관에서는 실린더 헤드에 설치되어 있다. 캠축의 주 기능은 흡 / 배기밸브 개폐이며 부수적으로 오일펌프, 배전기 및 연료 펌프를 구동시키기도 한다. 캠축의 재질은 특수주철, 저탄소강에 침탄시킨 것, 중탄소강에 화염 경화나 고주파 경화시킨 것을 사용한다.
1) 캠의 형상
캠의 형상은 밸브 개폐상태, 열림시간, 밸브의 양정은 캠의 형상에 따라 결정되므로 기관에 따라 다양한 캠이 사용된다. 그러나 어느 형상에서나 로커암(또는 밸브 리프터)과 캠이 직접 접촉하므로 이 부분과의 마찰과 마멸을 감소시키기 위해 접촉면의 하나는 반드시 원호형으로 하고 있다. 캠의 형상에는 접선캠, 볼록캠 및 오목캠 등이 있다.
※ 참고사항
→캠에서 기초원과 노스사이의 거리를 양정(lift)이라고 한다.
2) 캠축의 구동방식
캠축의 구동장치는 주로 기관의 앞쪽에 설치되며 4행정 사이클 기관에서 캠축은 크랭크축 회전수의 1/2로 회전하면서 크랭크축 회전에 대해 흡 / 배기밸브의 개폐시기를 바르게 유지시켜야 한다. 캠축 구동방식에는 기어 구동방식, 체인 구동방식, 밸트 구동방식 등 3가지가 사용되고 있다.
→기어 구동방식(Gear Drive Type) : 이 방식은 크랭크축 기어와 캠축 기어의 물림에 의한 방식이며, 4행정 사이클 기관에서는 크랭크축 2회전에 캠축 1회전하는 구조물로 되어 있다. 크랭크축 기어의 재질은 저 탄소 침탄강, 크롬강으로 표면을 경화하며 캠축 기어의 재질은 베이클라이트로 제작하여 소음 감소 및 크랭크축 기어의 마멸을 감소시키고 있다.
※ 참고사항
→크랭크축 기어와 캠축 기어는 피스톤의 상하운동에 맞추어 밸브 개폐 시기와 점화 시기를 바르게 유지시키므로 타이밍 기어(Timing Gear)라고 한다. 이 타이밍 기어의 백래시(기어와 기어와의 맞물리는 사이의 간격)가 커지면(기어가 마멸되면) 밸브 개폐 시기가 틀려진다. 그리고 백래시(Back Lash)란 한 쌍의 기어가 물렸을 때 기어 잇면 뒤에 생기는 간극을 말한다. 긜고 크랭크축에 의해 회전되는 기어들 중에서 타이밍 마크를 서로 맞추어야 하는 것으로는 크랭크축 기어를 비롯하여 캠 축 기어, 분사 펌프 구동 기어 등이다.
→체인 구동방식(Chain Drive Type) : 이 방식은 타이밍 체인을 통하여 캠축을 구동하는 것이며 양 체인의 스프로킷 비는 4행정 사이클 기관의 경우 2:1이며 스프로킷의 재질은 강철이다. 특징은 동력 전달효율이 높고 소음이 감소되고 캠축의 설치 위치를 자유롭게 정할 수 있으나 체인이 늘어나 헐거워지면 밸브 개폐 시기가 틀려지는 결점이 있다.
최근에는 체인의 헐거움을 자동적으로 조절하는 텐셔너(tensioner)와 체인의 진동을 방지하는 댐퍼(damper)를 두고 있다.
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